基于2,5-呋喃二甲酸(FDCA)环氧树脂和固化剂的合成及性能研究

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到目前为止,生物基高分子材料已经展现了其在缓解石油危机和环境污染方面的巨大潜力。同时,生物基热塑性树脂是研究与开发得最为成熟的生物基高分子材料,但它们普遍由于含有柔性的脂肪链及缺乏刚性的芳香结构而表现出了力学性能不高与耐热性差的缺点,这极大地限制了其应用领域。以含有芳香性呋喃环的生物基平台化合物2,5-呋喃二甲酸为原料制备得到的生物基高分子材料将具有较强刚性和优异的耐热性能。本文以FDCA为原料采用两步法合成出了2,5-呋喃二甲酸二缩水甘油酯(DGF)环氧单体。同时为了进行有效的对比,本文以与FDCA结构相似的且来源于石油资源的对苯二甲酸(TPA)为原料合成得到对苯二甲酸二缩水甘油酯(DGT)环氧单体。在使用甲基六氢苯酐(MHHPA)与聚醚胺(D230)作为固化剂进行固化前,通过使用核磁共振氢谱(1H NMR),核磁共振碳谱(13C NMR)和傅里叶红外光谱(FT-IR)对它们的化学结构进行了详细的表征与确认。同时,通过使用差示扫描量热法(DSC)、动态热力学分析(DMA)、静态力学测试及热重分析(TGA)手段分别对其固化过程、固化物的热机械性能、力学性能及热稳定性能进行了详细而深入的研究。研究结果发现,DGF在固化反应中表现出比DGT更高的固化活性,同时DGF环氧树脂具有更高的玻璃化转变温度及较好的耐热性能和机械性能。  与此同时,为了提高常用的脂肪族胺类固化剂的固化物强度和改善芳香族胺类固化剂固化活性低的问题,本课题选用含有芳香性呋喃环的FDCA为原料,与脂肪族二元胺进行酯化及氨解反应得到的两种呋喃类化合物:2,5-呋喃二(甲酰胺乙胺)(EDAF)和2,5-呋喃二(甲酰胺丁胺)(BDAF)。对将其用作双酚A型环氧树脂(DER331)的固化剂时得到的环氧树脂进行的性能测试结果中发现,EDAF与BDAF具有相似且高于DER331/D230环氧树脂的固化活性,其相应的固化物的玻璃化转变温度(Tg)差别不大但均高于DER331/D230环氧树脂。同时,其相应的固化物的热稳定性能相近且接近于于DER331/D230环氧树脂。  在合成高性能环氧树脂和固化剂中,来源广泛的生物基平台化合物FDCA具有替代含有苯环的TPA极大的潜力。同时,实验结果也证实了呋喃环结构确实能在一定程度上提高生物基高分子材料的刚性和耐热性,这为设计和合成高性能生物基环氧树脂和固化剂提供了相关方面的指导。
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